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EP1060401B1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

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Info

Publication number
EP1060401B1
EP1060401B1 EP98966795A EP98966795A EP1060401B1 EP 1060401 B1 EP1060401 B1 EP 1060401B1 EP 98966795 A EP98966795 A EP 98966795A EP 98966795 A EP98966795 A EP 98966795A EP 1060401 B1 EP1060401 B1 EP 1060401B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
field sensor
longitudinal sides
deformable
conductor loop
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98966795A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1060401A1 (de
Inventor
Karsten Funk
Wilhelm Frey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1060401A1 publication Critical patent/EP1060401A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1060401B1 publication Critical patent/EP1060401B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0283—Electrodynamic magnetometers in which a current or voltage is generated due to relative movement of conductor and magnetic field
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
    • G01R33/0286—Electrodynamic magnetometers comprising microelectromechanical systems [MEMS]

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field sensor, and especially one in surface micromechanics technology producible magnetic field sensor.
  • Magnetic field sensors can be used in a variety of ways in automotive engineering are used, for example in the anti-lock braking system (ABS) or as anti-slip control (ASR) as wheel sensors, as a position sensor for needle valves or ignition pulse generators, as a steering wheel angle sensor, as a crankshaft position sensor etc.
  • ABS anti-lock braking system
  • ASR anti-slip control
  • wheel sensors as a position sensor for needle valves or ignition pulse generators
  • a steering wheel angle sensor as a crankshaft position sensor etc.
  • the requirements for these magnetic field sensors with regard to mechanical resilience, e.g. Shock resistance and temperature resistance are common extremely high.
  • Magnetic field sensors that measure the force of a magnetic field use on a current-carrying conductor.
  • the best known example of this is the Hall sensor.
  • the object on which the present invention is based is to provide a magnetic field sensor that is high mechanical Withstands loads and high sensitivity at the same time has low temperature dependence.
  • This Task is achieved by the magnetic field sensor according to the main claim solved.
  • the idea underlying the present invention consists in a conductor loop whose surface modulates will, d. H. has a predefinable time dependency, as long as remains dead like no magnetic field through it passes. However, as soon as this conductor loop one Magnetic field is exposed by the surface modulation magnetic flux ⁇ is constantly changing, causing a voltage induction entails that is proportional to the magnetic flux density and to change the area over time. This tension is on tapped the ends of the conductor loop and according to the mechanical excitation evaluated. With the magnetic field sensor according to the invention both constant magnetic fields and alternating magnetic fields up to a system-related cutoff frequency become
  • the conductor loop encloses an area with two in the undeformed state essentially mutually parallel long sides and deformed the deformation device the two long sides to change the enclosed area. This can be advantageously realize a large area change.
  • the deformation device is designed so that it two long sides to opposing resonant bending vibrations stimulates. So it can be a particularly advantageous large area change using the resonance exaggeration realize.
  • the conductor loop is is designed so that the opposing resonant Bending vibrations a different resonance frequency have as the corresponding co-directional resonants Flexural vibrations. This advantageously allows interference with the unwanted like-minded resonants Avoid bending vibrations where the net area change is essentially zero.
  • the deformation device is designed so that it is the deformable Sections deformed via a capacitive coupling. So there is neither friction loss nor wear with the suggestion. They are also capacitive Excitation devices from other areas, such as Comb structures of acceleration sensors, known.
  • the magnetic field sensor in the technology of surface micromechanics manufactured and has a substrate, preferably made of silicon (or another electrically conductive material) is.
  • the conductor loop has essentially a rectangular shape on, the long sides of which hover above the substrate are arranged and deformable by the deformation device are and their broad sides floating on the substrate are hung.
  • This embodiment has one high sensitivity with low temperature dependence on.
  • the Conductor loop a continuous non-deformable first Broadside with a greater thickness than the long sides, the over at least one deformable floating web essentially the thickness of the long sides with at least is connected to a connection pad anchored in the substrate, on.
  • This rigid first broadside stabilizes the width the area.
  • the Conductor loop a split non-deformable second Broadside with a greater thickness than the long sides whose Parts floating over a respective deformable Bridge with essentially the thickness of the long sides with a connected to the respective connection pad anchored in the substrate is on.
  • This divided rigid second broadside stabilized the width of the area also and enables a convenient tap of the induced voltage.
  • This embodiment advantageously eliminates the divided rigid second broadside, so that the structure becomes simpler.
  • the Long sides at their second end over a deformable floating second.
  • Spring bar with essentially the thickness of the long sides with the continuous non-deformable connected first broadside.
  • the An additional mass over the middle of the deformable long sides provided floating to the substrate. This additional mass serves advantageously for setting the resonance frequency.
  • the deformation device one connected to the long sides Comb drive device is provided.
  • This connection can either be direct by comb teeth on the long sides are provided, or be indirect by on a possible additional masses comb teeth provided are.
  • Fig. 1 is a schematic illustration for explanation the measuring principle of the magnetic field sensor according to the invention.
  • Fig. 1 generally denotes a conductor loop of im essentially rectangular shape, 2 deformable long sides the conductor loop 1, 3 and 3 'non-deformable broad sides the conductor loop 1, 4 and 4 'deformable webs and 5 and 6, 6 'connection pads.
  • B denotes an external one Magnetic field, U an induced voltage and v the motion or direction of deformation of the long sides 2.
  • the measuring principle of the magnetic field sensor according to the invention is simply that an oscillating surface change dA / dt of the surface A of the conductor loop 1 is generated by a suitable mechanical excitation, which generates an induced voltage U at the connection pads 6, 6 'in the presence of a magnetic field B.
  • Absolute values can be determined by a suitable calibration or by the precise geometry of the arrangement.
  • the measurement signal is then an amplitude-modulated signal with suppressed carrier. Appear in the frequency spectrum only two sidebands at a distance of +/- ⁇ around the carrier ⁇ around.
  • Demodulation methods e.g. Multiplication with the carrier frequency ⁇ and subsequent low-pass filtering, can easily on the amplitude and direction or the angular velocity ⁇ of the magnetic field change can be closed.
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a first embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • Fig. 2 designate in addition to those already introduced Reference numeral 20 is provided on the long sides 2 Comb structure and 70 a provided in an anchor 7 Comb structure which engages in the comb structure 20.
  • This first embodiment like everyone else, is here described embodiments, in the technology of Surface micromechanics manufactured, with a Silicon substrate.
  • the conductor loop 1 which is essentially a rectangular shape has its long sides 2 as thin bars and their Broad sides 3, 3 'as thicker bars floating above the Arranged substrate.
  • the divided thick, i.e. non-deformable, second broadside 3 ' is over one respective thin, i.e. deformable, floating Web 4 'with the corresponding one anchored in the substrate Connection pad 6, 6 'connected.
  • the comb devices 20, 70 are also suspended above the Substrate provided, the anchoring 7 in the substrate is anchored.
  • the elastic connection of the conductor loop 1 to the Substrate by means of the thin webs 4, 4 ' enables a Mode separation between a movement in the same direction the flexible long sides 2, in which both in the same Direction, and an opposite movement, where both deflected in opposite directions become reachable.
  • This mode separation is based that the webs 4, 4 'move in the same direction and the broad sides 3, 3 'partially resonate while during the opposite movement these components are stationary stay.
  • the mechanical natural frequency of the system is thus be the same in the same direction as in the opposite movement.
  • the excitation of the conductor loop 1 is determined by itself Acceleration sensors and comb drives known comb structures 20, 70 realized.
  • sinusoidal voltage become electrostatic attractive forces generated, which cause the comb structure 20 in the comb structure 70 is pulled in or pushed out of it becomes.
  • the mechanical deflection of the long sides 2 can be the same or an additional, similar constructed comb structure can be measured based on The mechanical excitation can take these measurement results into account their frequency and amplitude kept constant become. Keeping these mechanical parameters constant is important for an accurate measurement. Suitable control circuits, which serve for this purpose are in the state of the Technology widely known.
  • a resonance excitation is expedient carried out because then on the one hand said Mode selection is possible and on the other hand mechanical Excess quality can be exploited, which leads to a reduction in leads necessary electrical excitation amplitude.
  • the magnetic field sensor can reduce damping as much as possible can also be operated in negative pressure.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the first embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • Fig. 3 designate in addition to those already introduced Reference symbols U1 and U2 the excitation voltages of the comb device 70, C1 and C2 the capacitive coupling between the comb devices 20, 70, R1 to R4 equivalent resistors the corresponding conductor loop sections and DIMENSIONS that Zero potential or earth potential.
  • the conductor loop 1 is a sinusoidal alternating current applied to the comb structures 20, 70, so also flows sinusoidal alternating current through resistors R3 and R4, which generates a corresponding voltage drop, which the measurement signal of the induced voltage U falsified.
  • phase discrimination can be performed with resonant excitation.
  • the electrostatic force relevant for the drive also has a component with the time function F 0 sin ⁇ t.
  • the amplitude of movement follows at 90 ° to this force, i.e. with a time dependency cos ⁇ t, as does the disturbing current.
  • the decisive factor for the voltage U induced by the magnetic field is the speed of the movement, which in turn is offset by 90 °, that is to say with a time dependency -sin ⁇ t. This results in a phase difference of 90 ° between the induced voltage U and the parasitic voltages falling across the resistors R3 and R4. The disturbing current can thus be filtered out by phase-sensitive demodulation.
  • the voltage U induced by a magnetic field B is, as I said, proportional to the speed of the movement, for example the time dependency has -sin ⁇ t.
  • the electrostatically generated force F 0 sin ⁇ t is proportional to the square of the electrical excitation voltage U1 or U2.
  • the excitation frequency which generates a force profile F 0 sin ⁇ t, must be 1 ⁇ 2 ⁇ t.
  • the voltage drop across the resistors R3 and R4 then also has a time dependency cos 1 ⁇ 2 ⁇ t. Therefore, the undesired voltage drop can be removed by electrical high-pass filtering.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a second embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • connection pads 5, 5 ' With the rigid broadside 3 connected via the webs 4 ''.
  • the long sides 2 are over at their first (lower) end the deformable floating first spring bar 2 'with in essentially the thickness of the long sides 2 with the im Substrate anchored connection pad 6 or 6 'connected.
  • this embodiment is only an upper one rigid broadside 3 provided.
  • the long sides 2 are at their second (upper) End over the deformable floating second spring bar 2 "with essentially the thickness of the long sides 2 with the connected non-deformable first broadside 3.
  • the second embodiment is functional and structurally the same as the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a third embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • the additional mass 8 over the Suspended substrate provided by means of which the resonance frequency the long sides 2 is tunable. That too is Comb structure 80 on the additional mass 8 instead of the comb structure 20 provided.
  • the third embodiment is functional and structurally the same as the second embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic illustration of a fourth embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic illustration of a fifth embodiment of the magnetic field sensor according to the invention.
  • This fifth embodiment corresponds to the fourth embodiment with the addition of the additional connecting bars and the additional anchors 90 to the substrate. This additional constructive measures stabilize the additional mass 8 against disturbing torques.
  • the conductor loop can of course also have a geometry other than rectangular.
  • the micromechanical base material also does not have to be silicon but can be any basic material.
  • the excitation of the deformable sections the conductor loop is not capacitive, but can also inductive, magnetic or in another way be carried out.
  • the evaluation of the measurement signals does not have to be in the time domain but can also be done by appropriate Fourier transformations happen.
  • the magnetic field sensor does not necessarily have to micromechanical component, but can be dependent a macromechanical one of the magnetic fields to be recorded Component.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor, und insbesondere einen in der Technologie der Oberflächenmikromechanik herstellbaren Magnetfeldsensor.
Obwohl auf beliebige Magnetfeldsensoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen in der Technologie der Oberflächenmikromechanik herstellbaren Magnetfeldsensor zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehenen erläutert.
Magnetfeldsensoren können in der Automobiltechnik vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise beim Antiblockiersystem (ABS) oder bei der Antischlupfregelung (ASR) als Radsensoren, als Positionssensor bei Nadelventilen bzw. Zündimpulsgebern, als Lenkradwinkelgeber, als Kurbelwellenpositionsgeber usw.. Die Anforderungen an diese Magnetfeldsensoren hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit, wie z.B. Schockbelastbarkeit, und Temperaturbelastbarkeit sind üblicherweise extrem hoch.
Im Stand der Technik gibc es eine ganze Reihe von bekannten Magnetfeldsensoren, welche die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter ausnutzen. Das bekannteste Beispiel dafür ist der Hallsensor.
Als nachteilhaft bei den obigen bekannten Ansätzen hat sich die Tatsache herausgestellt, daß diese den hohen mechanischen und/oder thermischen Belastungen nicht standhalten und/oder eine zu geringe Empfindlichkeit aufweisen und/oder sehr kostspielig sind.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 3512180 ein Magnetfeldsensor bekannt, bei dem eine Spannungserfassungseinrichtung, eine Magnetfeldermittlungseinrichtung und eine Deformationseinrichtung vorgesehen sind. Die Spannungserfassung erfolgt jedoch nicht direkt an einer Leiterschleife und die Deformation erfolgt nicht mit kapazitiver Kopplung.
Weiterhin ist aus der Druckschrift Beverly et al.:
"Micromechanical resonant magnetic sensor in standard DMOS", Transducers 97, Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators, Seite 405-408, ein Magnetfeldsensor bekannt, bei dem jedoch die Kraftwirkung auf eine stromdurchflossene Spule in einem magnetischen Feld zur Magnetfeldmessung herangezogen wird.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, einen Magnetfeldsensor bereitzustellen, der hohen mechanischen Belastungen standhält und eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringer Temperaturabhängigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch den Magnetfeldsensor gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß eine Leiterschleife, deren Fläche moduliert wird, d. h. eine vorgebbare Zeitabhängigkeit aufweist, solange spannungslos bleibt, wie kein Magnetfeld durch sie hindurchtritt. Sobald jedoch diese Leiterschleife einem Magnetfeld ausgesetzt ist, wird durch die Flächenmodulation der magnetische Fluß Φ stetig verändert, was eine Spannungsinduktion mit sich bringt, die proportional zur magnetischen Flußdichte und zur zeitlichen Flächenänderung ist. Diese Spannung wird an den Enden der Leiterschleife abgegriffen und entsprechend der mechanischen Anregung ausgewertet. Mit dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor können sowohl konstante Magnetfelder als auch magnetische Wechselfelder bis zu einer systembedingten Grenzfrequenz erfaßt werden
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Magnetfeldsensors.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umschließt die Leiterschleife im undeformierten Zustand eine Fläche mit zwei im wesentlichen zueinander parallelen Längsseiten und deformiert die Deformationseinrichtung die zwei Längsseiten zur Änderung der umschlossenen Fläche. So läßt sich vorteilhafterweise eine große Flächenänderung realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Deformationseinrichtung derart gestaltet ist, daß sie die zwei Längsseiten zu gegensinnigen resonanten Biegeschwingungen anregt. So läßt sich vorteilhafterweise eine besonders große Flächenänderung unter Ausnutzung der Resonanzüberhöhung realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Leiterschleife derart gestaltet ist, daß die gegensinnigen resonanten Biegeschwingungen eine andere Resonanzfrequenz aufweisen als die entsprechenden gleichsinnigen resonanten Biegeschwingungen. Damit lassen sich vorteilhafterweise Interferenzen mit den ungewollten gleichsinnigen resonanten Biegeschwingungen vermeiden, bei denen die Nettoflächenänderung im wesentlichen Null ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Deformationseinrichtung derart gestaltet ist, daß sie die deformierbaren Abschnitte über eine kapazitive Kopplung deformiert. Damit gibt es weder Reibungsverluste noch Verschleiß bei der Anregung. Außerdem sind solche kapazitiven Anregungseinrichtungen aus anderen Bereichen, wie z.B. Kammstrukturen von Beschleunigungssensoren, bekannt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist Magnetfeldsensor in der Technologie der Oberflächenmikromechanik hergestellt und hat ein Substrat, das vorzugsweise aus Silizium (oder einem anderen elektrisch leitenden Material) ist. Die Leiterschleife weist im wesentlichen eine Rechteckform auf, deren Längsseiten schwebend über dem Substrat angeordnet sind und durch die Deformationseinrichtung deformierbar sind und deren Breitseiten schwebend am Substrat aufgehängt sind. Gerade diese Ausführungsform weist eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringer Temperaturabhängigkeit auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Leiterschleife eine durchgehende nicht-deformierbare erste Breitseite mit einer größere Dicke als die Längsseiten, die über mindestens einen deformierbaren schwebenden Steg mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten mit mindestens einem im Substrat verankerten Anschlußpad verbunden ist, auf. Diese starre erste Breitseite stabilisiert die Breite der Fläche.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Leiterschleife eine geteilte nicht-deformierbare zweite Breitseite mit einer größere Dicke als die Längsseiten, deren Teile über einen jeweiligen deformierbaren schwebenden Steg mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten mit einem jeweiligen im Substrat verankerten Anschlußpad verbunden ist, auf. Diese geteilte starre zweite Breitseite stabilisiert die Breite der Fläche ebenfalls und ermöglicht einen zweckmäßigen Abgriff der induzierten Spannung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Längsseiten an ihrem ersten Ende über einen deformierbaren schwebenden ersten Federsteg mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten mit einem im Substrat verankerten Anschlußpad verbunden. Bei dieser Ausführungsform entfällt vorteilhafterweise die geteilte starre zweite Breitseite, so daß die Struktur einfacher wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Längsseiten an ihrem zweiten Ende über einen deformierbaren schwebenden zweiter. Federsteg mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten mit der durchgehenden nicht-deformierbaren ersten Breitseite verbunden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in der Mitte der deformierbaren Längsseiten eine Zusatzmasse über dem Substrat schwebend vorgesehen. Diese Zusatzmasse dient vorteilhafterweise zur Einstellung der Resonanzfrequenz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist als Deformationseinrichtung eine mit den Längsseiten verbundene Kammantriebseinrichtung vorgesehen ist. Diese Verbindung kann entweder direkt sein, indem auf den Längsseiten Kammzinken vorgesehen sind, oder indirekt sein, indem auf einer möglicherweise vorhandenen Zusatzmassen Kammzinken vorgesehen sind.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Meßprinzips des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 2
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 3
einen Stromlaufplan der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 4
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 5
eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 6
eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
Fig. 7
eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Meßprinzips des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 1 bezeichnet 1 allgemein eine Leiterschleife von im wesentlichen rechteckiger Form, 2 deformierbare Längsseiten der Leiterschleife 1, 3 und 3' nicht-deformierbare Breitseiten der Leiterschleife 1, 4 und 4' deformierbare Stege sowie 5 und 6, 6' Anschlußpads. B bezeichnet ein externes Magnetfeld, U eine induzierte Spannung und v die Bewegungs- bzw. Deformationsrichtung der Längsseiten 2.
Das Meßprinzips des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors liegt einfach darin, daß durch eine geeignete mechanische Anregung eine oszillierende Flächenänderung dA/dt der Fläche A der Leiterschleife 1 erzeugt wird, welche in Gegenwart eines Magnetfeldes B eine induzierte Spannung U an den Anschlußpads 6, 6' erzeugt. Die Modulationsfunktion der Fläche A, z.B. A = A0 vcos ωt, wird zum Demodulieren der entsprechend modulierten induzierten Spannung U hergenommen, woraus sich eine Spannung ergibt die proportional zur magnetischen Flußdichte E ist und deren Vorzeichen die Richtung der magnetischen Feldlinien angibt. Absolutwerte lassen sich durch eine geeignete Eichung oder durch die genauer Geometrie der Anordnung festlegen.
Für ein externes magnetisches Wechselfeld gilt folgende Besonderheit. Setzt man für den magnetischen Fluß Φ = B·A mit A = A0 cos ωt und B = B0 cos Ωt, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit der Flächenanderung und Ω die Winkelgeschwindigkeit der Magnetfeldanderung sind, so ergibt sich für die induzierte Spannung U: U = - dΦ/dt = - d/dt[A0 cos ωt x B0 cos Ωt]
Das Meßsignal ist dann also ein amplitudenmoduliertes Signal mit unterdrücktem Träger. Im Frequenzspektrum erscheinen nur zwei Seitenbänder im Abstand +/-Ω um den Träger ω herum. Durch aus der allgemeinen Nachrichtentechnik wohlbekannte Demodulationsverfahren, wie z.B. Multiplikation mit der Trägerfrequenz ω und anschließende Tiefpaßfilterung, kann leicht auf die Amplitude und Richtung bzw. die Winkelgeschwindigkeit Ω der Magnetfeldänderung geschlossen werden.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 2 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 20 eine an den Längsseiten 2 vorgesehene Kammstruktur und 70 eine in einer Verankerung 7 vorgesehene Kammstruktur, welche in die Kammstruktur 20 eingreift.
Diese erste Ausführungsform ist, wie auch alle anderen hier beschriebenen Ausführungsformen, in der Technologie der Oberflächenmikromechanik hergestellt, und zwar mit einem Silizium-Substrat.
Die Leiterschleife 1, die im wesentlichen eine Rechteckform aufweist, hat ihre Längsseiten 2 als dünne Balken und ihre Breitseiten 3, 3' als dickere Balken schwebend über dem Substrat angeordnet. Dabei ist die durchgehende dicke, d.h. nicht-deformierbare, erste Breitseite 3 über den dünnen, d.h. deformierbaren, schwebenden Steg 4 mit dem im Substrat verankerten Anschlußpad 5 verbunden. Die geteilte dicke, d.h. nicht-deformierbare, zweite Breitseite 3' ist über einen jeweiligen dünnen, d.h. deformierbaren, schwebenden Steg 4' mit dem jeweils entsprechenden im Substrat verankerten Anschlußpad 6, 6' verbunden.
Auch die Kammeinrichtungen 20, 70 sind schwebend über dem Substrat vorgesehen, wobei die Verankerung 7 im Substrat verankert ist.
Die elastische Anbindung der Leiterschleife 1 an das Substrat mittels der dünnen Stege 4, 4' ermöglicht, daß eine Modenseparation zwischen einer gleichsinnigen Bewegung der biegsamen Längsseiten 2, bei der beide in die gleiche Richtung ausgelenkt werden, und einer gegensinnigen Bewegung, bei der beide in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt werden, erreichbar ist. Diese Modenseparation beruht darauf, daß bei der gleichsinnigen Bewegung die Stege 4, 4' und die Breitseiten 3, 3' teilweise mitschwingen, während bei der gegensinnigen Bewegung diese Bauteile ortsfest bleiben. Die mechanische Eigenfrequenz der Systems wird also bei der gleichsinnigen Bewegung geringer sein als bei der gegensinnigen Bewegung.
Die Anregung der Leiterschleife 1 wird über die an sich aus Beschleunigungssensoren und Kammantrieben bekannten Kammstrukturen 20, 70 realisiert. Durch eine zweckmäßigerweise sinusförmige Spannung werden elektrostatische Anziehungskräfte erzeugt, welche bewirken, daß die Kammstruktur 20 in die Kammstruktur 70 hineingezogen bzw. daraus hinausgedrängt wird. Die mechanische Auslenkung der Längsseiten 2 kann dabei durch dieselbe oder eine zusätzliche, gleichartig aufgebaute Kammstruktur gemessen werden, basierend auf diesen Meßresultaten kann die mechanische Anregung hinsichtlich ihrer Frequenz und Amplitude konstant gehalten werden. Die Konstanthaltung dieser mechanischen Parameter ist für eine genaue Messung wichtig. Geeignte Regelschaltungen, welche zu diesem Zweck dienen, sind im Stand der Technik weitläufig bekannt. Zweckmäßigerweise wird eine Resonanzanregung durchgeführt, da dann einerseits die besagte Modenselektion möglich ist und andererseits die mechanische Güteüberhöhung ausnutzbar ist, was zu einer Reduzierung der notwendigen elektrischen Anregungsamplitude führt. Um die Dämpfung möglichst stark zu reduzieren, kann der Magnetfeldsensor auch im Unterdruck betrieben werden.
Fig. 3 ist ein Stromlaufplan der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 3 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen U1 und U2 die Anregungsspannungen der Kammeinrichtung 70, C1 und C2 die kapazitive Kopplung zwischen den Kammeinrichtungen 20, 70, R1 bis R4 Ersatzwiderstände der entsprechenden Leiterschleifenabschnitte und MASSE das Nullpotential bzw. Erdpotential.
An der Leiterschleife 1 liegt bei ruhenden Längsseiten 2 eine Spannung U an die proportional zur Änderung dB/dt des Magnetfeldes B ist. Dies entspricht dem trivialen Ansatz, nach dem bekannte Induktionsmeßgeräte arbeiten. Wird die Leiterschleife elektrostatisch mit den Spannungen U1 und U2 über die Kammstrukturen 20, 70 angetrieben, so gilt das Ersatzschaltbild nach Fig. 3.
Dabei ist insbesondere folgendes zu beachten. Wird zur Anregung der Leiterschleife 1 ein sinusförmiger Wechselstrom an die Kammstrukturen 20, 70 angelegt, so fließt auch ein sinusförmiger Wechselstrom durch die Widerstände R3 und R4, der einen entsprechenden Spannungsabfall erzeugt, welcher das Meßsignal der induzierten Spannung U verfälscht.
Gegen diese Verfälschung lassen sich folgende Maßnahmen ergreifen.
Erstens kann eine Minimierung durch Erzeugung eines Gleichtaktsignals erfolgen. Da am Ausgang der Leiterschleife 1 (Anschlußpads 6, 6') ein Differenzsignal gemessen wird, kann der Einfluß minimiert werden, indem man ebenfalls einen solchen Spannungsabfall erzeugt. Dazu wird U1 gleich U2 geschaltet. Unter der Voraussetzung, daß C1 = C2 und R3 = R4 gilt ergeben sich daraus identische Spannungsabfälle, welche sich bei der Differenzspannungsmessung am Ausgang der Leiterschleife 1 herausheben.
Zweitens kann eine Phasendiskriminierung bei resonanter Anregung durchgeführt werden. Der Strom i durch die kapazitive Struktur C1, C2 hat bei sinusförmiger Anregungsspannung einen kosinusförmigen Verlauf, da i = C dU/dt für die Kondensatoren C1, C2 gilt. Wird die Kammstruktur 20, 70 mit einer sinusförmigen Spannung angeregt, so hat auch die für den Antrieb relevante elektrostatische Kraft eine Komponente mit der Zeitfunktion F0 sin ωt. Bei resonanter Anregung folgt die Bewegungsamplitude um 90° zu dieser Kraft versetzt, also mit einer Zeitabhängigkeit cos ωt wie auch der störende Strom. Maßgeblich für die durch das Magnetfeld induzierte Spannung U ist aber die Geschwindigkeit der Bewegung, welche wiederum um 90° versetzt erfolgt, also mit einer Zeitabhängigkeit -sin ωt. Damit ergibt sich ein Phasenunterschied von 90° zwischen der induzierten Spannung U und den über den Widerständen R3 und R4 abfallenden parasitären Spannungen. Somit kann der störende Strom durch eine phasensensitive Demodulation herausgefiltert werden.
Drittens kann eine Diskriminierung im Frequenzbereich erfolgen. Die durch ein Magnetfeld B induzierte Spannung U ist, wie gesagt, proportional zur Geschwindigkeit der Bewegung, also hat z.B. die Zeitabhängigkeit -sin ωt. Die elektrostatisch erzeugte Kraft F0 sin ωt ist proportional zum Quadrat der elektrischen Anregungsspannung U1 bzw. U2.
Mit anderen Worten muß gemäß bekannter trigonometrischer Identitäten die Anregungsfrequenz, welche einen Kraftverlauf F0 sin ωt erzeugt, ½ ωt betragen. Der Spannungsabfall über den Widerständen R3 und R4 hat dann ebenfalls eine Zeitabhängigkeit cos ½ ωt. Daher läßt sich der ungewünschte Spannungsabfall durch elektrische Hochpaßfilterung entfernen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 4 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 1" die Leiterschleife gemäß der zweiten Ausführungsform, 2' und 2'' einen jeweiligen dünnen, d.h. deformierbaren, ersten bzw. zweiten Federsteg, 5' zwei Anschlußpads welche über einen jeweiligen dünnen, d.h. deformierbaren, Steg 4'' mit der breiten, d.h. nicht-deformierbaren, Breitseite 3 verbunden sind.
Im Unterschied zur obigen ersten Ausführungsform sind bei der zweiten Ausführungsform zwei Anschlußpads 5, 5' mit der starren Breitseite 3 über die Stege 4'' verbunden.
Die Längsseiten 2 sind an ihrem ersten (unteren) Ende über den deformierbaren schwebenden ersten Federsteg 2' mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten 2 mit dem im Substrat verankerten Anschlußpad 6 bzw. 6' verbunden. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform nur eine obere starre Breitseite 3 vorgesehen.
Weiterhin sind die Längsseiten 2 an ihrem zweiten (oberen) Ende über den deformierbaren schwebenden zweiten Federsteg 2" mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten 2 mit der durchgehenden nicht-deformierbaren ersten Breitseite 3 verbunden.
Ansonsten ist die zweite Ausführungsform funktions- und aufbaugleich wie die erste Ausführungsform.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 5 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 1''' die Leiterschleife gemäß der dritten Ausführungsform, 2''' einen jeweiligen dünnen, d.h. deformierbaren, Federsteg und 8 eine in die Längsseiten integrierte Zusatzmasse.
Im Unterschied zur obigen ersten und zweiten Ausführungsform ist bei der dritten Ausführungsform in der Mitte der deformierbaren Längsseiten 2 die Zusatzmasse 8 über dem Substrat schwebend vorgesehen, mittels derer die Resonanzfrequenz der Längsseiten 2 abstimmbar ist. Auch ist die Kammstruktur 80 an der Zusatzmasse 8 anstelle der Kammstruktur 20 vorgesehen.
Desweiteren ist die Anbindung der Längsseiten 2 an ihrer oberen Seite an die starre Breitseite 3 über die mdifizierten Federstege 2''' realisiert. Die starre Breitseite 3 ist nur über einen Steg 4 an einem Anschlußpad 5 verankert.
Ansonsten ist die dritte Ausführungsform funktions- und aufbaugleich wie die zweite Ausführungsform.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 6 bezeichnet zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 1''' die Leiterschleife gemäß der vierten Ausführungsform. Diese vierte Ausführungsform entspricht der zweiten Ausführungsform unter Hinzunahme der Zusatzmasse 8.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
In Fig. 7 bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 1'''' die Leiterschleife gemäß der fünften Ausführungsform und 9 jeweilige dünne, d.h. deformierbare Verbindungsstege zu entsprechenden zusätzlichen Verankerungen 90 zum Substrat.
Diese fünfte Ausführungsform entspricht der vierten Ausführungsform unter Hinzunahme der zusätzlichen Verbindungsstege und den zusätzlichen Verankerungen 90 zum Substrat. Diese konstruktiven Zusatzmaßnahmen stabilisieren die Zusatzmasse 8 gegenüber störenden Drehmomenten.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere kann die Leiterschleife selbstverständlich auch eine andere als die rechteckige Geometrie aufweisen.
Auch muß das mikromechanische Grundmaterial nicht Silizium sein, sondern kann ein beliebiges Grundmaterial sein.
Desweiteren muß die Anregung der deformierbaren Abschnitte der Leiterschleife nicht kapazitiv erfolgen, sondern kann auch induktiv, magnetisch oder auf eine sonstige weise vollzogen werden.
Die Auswertung der Meßsignale muß nicht in der Zeitdomäne erfolgen, sondern kann auch durch entsprechende Fouriertransformationen geschehen.
Schließlich muß der Magnetfeldsensor nicht unbedingt ein mikromechanisches Bauteil sein, sondern kann in Abhängigkeit von den zu erfassenden Magnetfeldern auch ein makromechanisches Bauteil sein.
Magnetfeldsensor
BEZUGSZEICHENLISTE:
1,1',1'',1''', 1'''' Leiterschleife
2 Längsseiten
3,3' Breitseiten
4,4',4",9 Stege
5,6,6' Anschlußpads
B Magnetfeld
U induzierte Spannung
v Geschwindigkeit
7, 90 Verankerung
20, 70, 80 Kammstrukturen
2',2'',2''' Federstege
8 Zusatzmasse
R1-R4 Ersatzwiderstände
C1,C2 Ersatzkapazitäten
U1,U2 Anregungsspannungen
MASSE Erdpotential

Claims (10)

  1. Magnetfeldsensor, insbesondere in der Technologie der Oberflächenmikromechanik herstellbarer Magnetfeldsensor, mit:
    einer Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1'''; 1""), welche zumindest einen deformierbaren Abschnitt (2; 2'; 2"; 2''') aufweist;
    einer Deformationseinrichtung (20; 7, 70; 8, 80) zum Deformieren des deformierbaren Abschnitts (2; 2'; 2"; 2"') der Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1'''; 1"") mit einer vorbestimmbaren Zeitabhängigkeit;
    einer Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der an den Enden der Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1'''; 1"") beim Deformieren in Gegenwart eines Magnetfelds (B) induzierten Spannung (U);
    einer Magnetfeld-Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des gegenwärtigen statischen und/oder dynamischen Magnetfelds (B) unter Berücksichtigung von zumindest der Zeitabhängigkeit des Deformierens; und
    dass die Deformationseinrichtung (20; 7, 70; 8, 80) derart gestaltet ist, dass sie die deformierbaren Abschnitte durch Erzeugen von elektrostatischen Anziehungskräften über eine kapazitive Kopplung zwischen Elektroden der Deformationsstruktur (20; 7, 70; 8, 80) deformiert.
  2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (1, 1', 1", 1''', 1'''') im undeformierten Zustand eine Fläche mit zwei im wesentlichen zueinander parallelen Längsseiten (2) umschließt und die Deformationseinrichtung (20, 7, 70, 8, 80) die zwei Längsseiten (2) zur Änderung der umschlossenen Fläche deformiert.
  3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (1, 1', 1'', 1'", 1'''') derart gestaltet ist, dass sich bei gleichsinniger Bewegung der Längsseiten (2) Teile (4, 4', 3, 3') der Leiterschleife (1, 1', 1", 1''', 1'''') mitbewegen, während sie bei gegensinniger Bewegung der Längsseiten (2) ortsfest bleiben.
  4. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in der Technologie der Oberflächenmikromechanik hergestellt ist, mit einem Substrat, das vorzugsweise aus Silizium ist, dadurch gekennzeichnet, dass daß die Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1'''; 1"") im wesentlichen eine Rechteckform aufweist, deren Längsseiten (2) schwebend über dem Substrat angeordnet sind und durch die Deformationseinrichtung (20; 7, 70; 8, 80) deformierbar sind und deren Breitseiten (3, 3') schwebend am Substrat aufgehängt sind.
  5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1"'; 1'''') aufweist:
    eine durchgehende nicht-deformierbare erste Breitseite (3) mit einer größeren Dicke als die Längsseiten (2), die über mindestens einen deformierbaren schwebenden Steg (4; 4") mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten (2) mit mindestens einem im Substrat verankerten Anschlußpad (5; 5') verbunden ist.
  6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (1; 1'; 1"; 1'''; 1"") aufweist:
    eine geteilte nicht-deformierbare zweite Breitseite (3') mit einer größeren Dicke als die Längsseiten (2), deren Teile über einen jeweiligen deformierbaren schwebenden Steg (4') it im wesentlichen der Dicke der Längsseiten (2) mit einem jeweiligen Substrat verankerten Anschlußpad (6; 6') verbunden ist.
  7. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseiten (2) an ihrem ersten Ende über einen deformierbaren schwebenden ersten Federsteg (2') mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten (2) mit einem im Substrat verankerten Anschlußpad (6; 6') verbunden sind.
  8. Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseiten (2) an ihrem zweiten Ende über einen deformierbaren schwebenden zweiten Federsteg (2 "; 2''') mit im wesentlichen der Dicke der Längsseiten (2) mit der durchgehenden nicht-deformierbaren ersten Breitseite (3) verbunden sind.
  9. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der deformierbaren Längsseiten (2) eine Zusatzmasse (8) über dem Substrat schwebend vorgesehen ist.
  10. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Deformationseinrichtung (20; 7, 70; 8, 80) eine mit den Längsseiten (2) verbundene Kammantriebseinrichtung (7, 70) vorgesehen ist.
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